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基于FPGA的机载合成孔径雷达数字信号处理机接口板卡的设计与实现

　　摘要：介绍基于ＦＰＧＡ芯片实现的机载合成孔径雷达数字信号处理机接口板卡。该接口板卡负责将输入数据缓存和信息格式转换，然后打包成处理机需要的数据帧发送到信号处理机，并具有ＰＣＩ接口功能和在线自检测功能。着重介绍了系统的硬件结构设计和软件实现功能，给出了选用的主要芯片的型号。该接口板已应用于某合成孔径雷达数字信号处理机中，整机使用证明该系统工作稳定，实现了设计中要求的功能。
关键词：数据接口 LINK口 现场可编程门阵列 PCI接口
机载合成孔径雷达是以“合成孔径”原理和脉冲压缩技术为理论基础，以高速数字处理和精确运动补偿为前提条件的高分辨率成像雷达。对于机载合成孔径雷达成像处理来讲，仅有目标的原始回波数据是不够的，还必须获得雷达和载机的参数。另外，为了满足信号处理机实时处理的要求，要求输入到处理机的各种数据符合处理机成像处理的数据格式。这样，处理机在获得数据帧后就可以直接进行成像处理而不必再有格式转换的开销。但是 目标的原始回波数据与雷达和载机的参数数据来自两个不同的设备它们的数据格式和时序都是由各自的设备确定的，因此信号处理机便面临着与外围设备接口的问题。
１ 系统功能
在本机载合成孔径雷达系统中，进出接口板卡的数据流包括数据采集设备输入的原始回波数据、监控设备输入的雷达和载机的参数数据以及输出到处理机的成像处理数据。它们有如下特点：①输入数据流的速度和时序不匹配。数据采集设备和监控设备是两个异步的系统，它们都有自己的定时控制电路，以自己的速度传输数据。②输入输出数据流的信息格式不匹配。数据采集设备输入的原始回波数据和监控设备输入的雷达和载机的参数数据采用ＦＰＤＰ协议传输，接口板卡输出到处理机的数据采用Ｌｉｎｋ口传输协议进行传输。
考虑到进出接口板卡数据流的特点和雷达系统对接口板卡的控制要求，接口板卡要具有如下功能
设置数据的缓冲、存储逻辑，以适应不同设备之间的速度差异和时序差异；
进行信息格式转换，将目标的原始回波数据与雷达和载机的参数数据打包，插入相应的帧信息形成处理机要求的数据帧，并控制数据流的走向；
实现ＰＣＩ接口，能够产生ＰＣＩ中断；
具有在线自检测功能。
２ 系统硬件结构设计
为了简化系统硬件设计，增加系统的灵活性，采用ＦＰＧＡ芯片实现系统要求的数据格式转换、打包、分发和逻辑控制功能。数据缓存采用硬件ＦＩＦＯ和软件双口ＲＡＭ。ＰＣＩ接口采用专用接口芯片实现。硬件ＦＩＦＯ和软件双口ＲＡＭ的写时钟分别由各自的ＦＰＤＰ接口提供，其它时钟由接口板上的晶振提供。系统的硬件结构框图如图１所示。
２．１ 输入数据流的缓存方案
为了适应处理机与数据采集设备和监控设备之间的速度差异，解决速度不匹配问题，需要将输入的数据先进行缓存。数据采集设备送入的原始回波数据每帧的数据量比较大，接口板卡上设计了硬件ＦＩＦＯ作为原始回波数据的缓存器，ＦＩＦＯ的读写使能由ＦＰＧＡ编程控制，写时钟由ＦＰＤＰ接口提供，读时钟由接口板卡上的晶振提供。数据采集设备和监控设备是两个异步的系统，雷达参数数据流和原始回波数据流之间没有同步关系，一帧雷达参数数据对应几帧原始回波数据，因此设计中用双口ＲＡＭ作为雷达参数数据的缓存器。另外，每帧雷达参数的数据量比较小，本设计在ＦＰＧＡ内利用参数化的模块库中的ｌｐｍ＿ｒａｍ＿ｄｐ编程实现双口ＲＡＭ，简化了硬件设计。
２．２ ＰＣＩ接口设计
实现ＰＣＩ接口的方案一般有两种：采用可编程逻辑器件和采用专用总线接口器件。采用可编程逻辑器件实现ＰＣＩ接口的最大好处是比较灵活，缺点是设计难度较高，开发周期较长。采用专用接口器件实现虽然没有采用可编程逻辑器件实现那么灵活，但能够有效地降低接口设计的难度，缩短开发时间。本系统采用专用接口器件ＰＣＩ９０５２实现接口板卡的ＰＣＩ接口。
接口板卡的硬件资源为映射到ＦＰＧＡ内部寄存器的Ｉ／Ｏ映射空间和一个中断源。ＰＣＩ９０５２提供５个局部地址空间，选用Ｓｐａｃｅ０作为接口板的地址空间，分配１６个８位地址。同时设置相应的初始化，ＰＣＩ配置寄存器中的ＰＣＩＢＡＲ２设置为０ＸＦＦＦＦＦＦＦ０，向系统请求分配内存的数量为１６。设置局部地址空间的范围为０Ｘ０１００００００～０Ｘ０１００００１０。ＰＣＩ９０５２提供两个局部中断源，选用ＬＩＮＴｉ１。ＦＰＧＡ提供电平触发中断信号，因此ＰＣＩ９０５２的中断触发模式设置为电平触发。利用ＰＣＩ９０５２的局部设备片选信号ＣＳ０＃作为ＦＰＧＡ的片选信号。ＣＳ０＃片选信号的起始地址和地址范围由ＣＳ０ Ｂａｓｅ Ａｄｄｒｅｓｓ寄存器的设置值０ｘ０１００００１１决定，即起始地址为１００００００ｈ，地址范围为２０ｈ。ＰＣＩ９０５２寄存器的初始值由串行ＥＥＰＲＯＭ提供，在ＰＣＩ９０５２加电后读取。ＥＥＰＲＯＭ必须采用支持连读功能的芯片，本设计中采用ＦａｉｒＣｈｉｌｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ公司的９３ＣＳ４６Ｎ。
２．３ ＦＰＧＡ的配置设计
本设计为ＦＰＧＡ提供了两种配置方式：主动串行配置和被动串行配置。
主动串行配置由ＥＰＣ２向ＦＰＧＡ器件输入串行位流的配置数据。在该配置方式下，一直由ＦＰＧＡ控制着配置过程。在加电过程中，ＦＰＧＡ检测到ｎＣＯＮＦＩＧ由低到高的跳变时，就开始准备配置。ＦＰＧＡ将ＣＯＮＦ＿ＤＯＮＥ拉低，驱动ＥＰＣ２的ｎＣＳ为低，而ｎＳＴＡＴＵＳ引脚释放并由上拉电阻拉至高电平使能ＥＰＣ２。此后，ＥＰＣ２就用其内部振荡器的时钟将数据串行地从ＥＰＣ２ＤＡＴＡ输送到ＦＰＧＡＤＡＴＡ０。当配置完成后，ＦＰＧＡ释放ＣＯＮＦ＿ＤＯＮＥ，将ＥＰＣ２与系统隔离。
被动串行配置由编程硬件通过ＢｙｔｅＢｌａｓｔｅｒ配置。ＢｙｔｅＢｌａｓｔｅｒ产生一个由低到高的跳变送到ｎＣＯＮＦＩＧ引脚，然后由编程硬件将配置数据送到ＤＡＴＡ０引脚，该数据锁存至ＣＯＮＦ＿ＤＯＮＥ变为高电平为止。当ＣＯＮＦ＿ＤＯＮＥ变成高电平时，用ＤＣＬＫ的１０个周期初始化ＦＰＧＡ，器件的初始化由下载电缆自动执行。
为了两种配置方式共存，设计中用拨码开关将ＥＰＣ２与
　　ＦＰＧＡ和ＢｙｔｅＢｌａｓｔｅｒ的下载电缆插座隔离。当用被动串行方式配置时，拨码开关断开，由上位机通过ＢｙｔｅＢｌａｓｔｅｒ下载电缆加载ＦＰＧＡ。当用主动串行方式配置时，拨码开关接通，由ＥＰＣ２加载ＦＰＧＡ。电路图如图２所示。
２．４ 在线自检测功能
板卡设计时还应考虑便于日常调试维护及故障检测定位。板卡在硬件上针对各电源信号和关键的状态信号设计了信号灯，一旦发现有误，便可给出信号触发该电路板上的信号灯告警，定位系统故障。另外在电路设计时应留出测试孔，以增加电路的可测性。
３ 系统的软件设计
系统上电后， ＰＣＩ上电复位，ＦＩＦＯ清零。上位机向相应寄存器写入初始值，完成寄存器设置。当系统启动信号有效时，接口板开始接收数据，进行数据打包和分发，直到上位机向接口板卡写停止命令为止。图３给出了系统工作流程图。
３．１ 数据的打包和流向控制
雷达参数数据和原始回波数据的数据源是异步的，不能保证两者确切的对应关系，接口板卡利用对缓存原始回波数据ＦＩＦＯ和缓存雷达参数数据双口ＲＡＭ的读写控制，调整雷达参数数据和原始回波数据对应关系，将两种数据源按处理机要求的输入数据格式组成正确的数据帧。雷达参数数据和原始回波数据打包后的数据帧格式

在程序中，设计了雷达参数发送控制计数器Ｐａｒａ＿ｃｏｕｎｔｅｒ和回波数据发送控制计数器Ｄａｔａ＿ｃｏｕｎｔｅｒ。系统工作后，每次检测到原始回波数据流的数据有效信号ｄａｔａ＿ｖａｌｉｄ的上升沿时，启动雷达参数发送控制计数器开始计数，当计数到设定的值时停止计数并启动回波数据发送控制计数器开始计数，计数到设定的值时停止计数。当检测到原始回波数据流的数据有效信号ｄａｔａ＿ｖａｌｉｄ的下降沿时，两个计数器都清零。根据计数器的计数值产生Ｌｉｎｋ口选择信号确定数据的流向。图４给出了数据流向的示意图。图５给出了基于ＭＡＸＰＬＵＳⅡ１０．０的仿真结果，仿真显示正确地实现了数据打包和流向控制。

３．２ Ｌｉｎｋ口传输协议的实现
Ｌｉｎｋ口的数据传输是在同步时钟线与应答线相互握手的情况下同步传输的。一个传输字为３２ｂｉｔ，Ｌｉｎｋ口以４ｂｉｔ为单位进行传输。在ＬｘＣＬＫ上升沿，发送端会发送一个新的４ｂｉｔ数据，在ＬｘＣＬＫ的下降沿，接收方锁存数据线上的数据。８个４ｂｉｔ数据发送完毕后，如果接收方准备好接收下一个字，则将ＬｘＡＣＫ置１。发送方在每次发送新字的第一个４ｂｉｔ时对ＬｘＡＣＫ采样，如果ＬｘＡＣＫ为０，表明接收方没有准备好，则发送方保持ＬｘＣＬＫ为高电平，且数据线上保持当前的４ｂｉｔ数据，直到接收方将ＬｘＡＣＫ置１，发送方才将 ＬｘＣＬＫ下拉，并继续发送新的数据。当发送方缓存为空时，表明没有数据需要发送，则ＬｘＣＬＫ保持为低电平。接口板利用ＶＨＤＬ语言实现了Ｌｉｎｋ口传输协议。下面给出了关键的程序片断：

ＣｈａｎｇｅＳｔａｔｅＭｏｄｅｐｒｏｃｅｓｓＮｉｂｌｅＣｏｕｎｔｅｍｐｔｙＬｘＡＣＫＰｒｅｓｅｎｔＳｔａｔｅｅｍｐｔｙ
ｂｅｇｉｎ
ｃａｓｅ ＰｒｅｓｅｎｔＳｔａｔｅ ｉｓ
ｗｈｅｎ ＳｅｎｄＡＣＫ ＝＞
ｉｆ ＬｘＡＣＫ＝＇１＇ ａｎｄ ｅｍｐｔｙ＝＇０＇ ｔｈｅｎ
ＮｅｘｔＳｔａｔｅ＜＝Ｓｅｎｄ
ｅｌｓｅ ＮｅｘｔＳｔａｔｅ＜＝ＳｅｎｄＡＣＫ
ｅｎｄ ｉｆ
ｗｈｅｎ Ｓｅｎｄ ＝＞
ｉｆ ＮｉｂｌｅＣｏｕｎｔ／＝ ３ ｏｒ ＮｉｂｌｅＣｏｕｎｔ＝３ ａｎｄ ｅｍｐｔｙ＝＇０＇ａｎｄ ＬｘＡｃｋ＝＇１＇ ｔｈｅｎ
ＮｅｘｔＳｔａｔｅ＜＝Ｓｅｎｄ
ｅｌｓｅ ＮｅｘｔＳｔａｔｅ＜＝ＳｅｎｄＡＣＫ
ｅｎｄ ｉｆ
ｅｎｄ ｃａｓｅ
ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｈａｎｇｅｓｔａｔｅｍｏｄｅ

４ 应用和结论
目前该接口板已经完成了电路设计、软件仿真和制板，并应用到某机载合成孔径雷达数字信号处理机中。接口板卡位于信号处理机的前端，通过ＣＰＣＩ机箱的前面板接口，采用一块ＰＭＣ子板实现。系统采用了图１所示的体系结构，锁存器选用ＴＩ公司的ＳＮ７４ＬＶＴ１６３７４，时钟驱动芯片选用ＩＤＴ公司的ＩＤＴ４９ＦＣＴ３８０５ＡＰＹ，ＦＩＦＯ选用ＩＤＴ公司的ＩＤＴ７２Ｖ３６１１０，ＰＣＩ接口芯片选用ＰＬＸ９０５２，ＦＰＧＡ选用Ａｌｔｅｒａ公司的ＥＰ１Ｋ１００ＦＣ２５６－１。经过实验室阶段和外厂试验，接口板都工作正常，达到了设计要求。